Mechanical behaviour and damages within the oxide layer on Zy4 cladding during a RIA

Mécanismes d'endommagement de la couche d oxyde des gaines de crayons de combustible en situation accidentelle de type RIA

Vincent Busser (1) , Marie-Christine Baietto (2) , Jean Desquines (3) , Christian Duriez (3) , Jean-Paul Mardon (4)

1 IRSN/DPAM/SEMCA/LEC - Laboratoire d'Etude du Combustible
2 MIMESIS - Mécanique Multiéchelle pour les solides
3 IRSN - Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire
4 AREVA NP

During reactivity initiated accident, the importance of cladding tube oxidation on its thermomechanical behavior has been investigated. After RIA tests in experimental reactors, oxide damage including radial cracking and spallation of the outer oxide layer has been evidenced. This work aims at better understanding the key mechanisms controlling these phenomena. Laboratory air-oxidation of Zircaloy-4 cladding tubes has been performed at 470 °C. SEM micrographs show that radial cracks are initiated from the outer surface of the oxide layer and propagated radially towards the oxide-metal interface. A model predicting the stress evolution within the oxide and the depth of radial cracks has been developed and validated on literature tests and tests of this study. Ring compression tests were used for the experimental study of the oxide degradation under mechanical loading. Experimental data revealed three mechanisms: densification of the radial crack network, propagation of these radial cracks, branching and spallation of oxide fragments.

En cas d'accident de réactivité, le comportement thermomécanique des gaines de crayons de combustible est fortement influencé par la présence de la couche d'oxyde for-mée sur les gaines en alliage de zirconium durant son irradiation en réacteur. L'objectif de cette thèse est d'étudier les mécanismes susceptibles de conduire à la desquamation de la couche d'oxyde sous l'effet de sollicitations mécaniques. Des tronçons de gaines en Zircaloy-4 ont été oxydés en air à 470 • C. Des observations métallographiques des échantillons ont révélé la présence de nombreuses fissures au sein de la zircone. Un code couplant méca-nique et croissance de la couche d'oxyde a été développé. Il permet la prédiction des profils de contraintes dans l'oxyde et la profondeur des fissures radiales initiées dans l'oxyde. Le modèle a été validé sur des essais. La fissuration-desquamation de la couche d'oxyde a été étudiée à partir d'examens métallographiques d'anneaux ayant subi un essai de compression d'anneau. L'analyse des données expérimentales a révélé une succession de plusieurs mécanismes : initiation de fissures radiales dans la couche d'oxyde, puis propagation ra-diale de ces fissures jusqu'à l'interface métal-oxyde et, enfin, bifurcation et propagation de la fissure le long de l'interface conduisant à la desquamation de fragments.

Mots clés: Zircaloy-4; oxidation; cracks; ring compression test; damage; finite element; spallation

Mots clés: oxydation; fissures; compression d'anneau; endommagement; éléments-finis; desquamation

Domaines: Mécanique des solides [physics.class-ph]; Mécanique des solides [physics.class-ph]

Vincent Busser, Marie-Christine Baietto, Jean Desquines, Christian Duriez, Jean-Paul Mardon. Mechanical behaviour and damages within the oxide layer on Zy4 cladding during a RIA. Matériaux & Techniques, 2011, 99 (1), pp.127-130. ⟨10.1051/mattech/2010116⟩. ⟨hal-00938374⟩